ゾーン構造

英語名：zonal organization

神経組織において神経連絡あるいは機能的に類似した神経細胞が帯状（ゾーン状）に並び、隣接するゾーンとは異なる神経連絡や機能を有する時、その構造をゾーン構造と呼ぶ。哺乳類では嗅球や小脳でゾーン構造の研究が進んでいる。

 主嗅覚系に見られるゾーン構造  

嗅上皮におけるゾーン構造

　嗅上皮上には、数百万個もの嗅細胞がシート状に存在している。嗅細胞は、およそ1000種類の匂い分子受容体（嗅覚受容体）のうち、1種類を選択的に発現することが知られている。ある一つの匂い分子受容体を発現する嗅細胞の分布を嗅上皮上で調べると、前後軸方向に伸びる帯状のエリア（ゾーン）内で均一に分布することが明らかになった。複数の匂い分子受容体の発現パターンの比較から、嗅上皮は４つのゾーンに区分され、各匂い分子受容体を発現する嗅細胞はこれら４つのゾーンのうち１つのゾーンに選択的に分布することが示された (Ressler et al 1993, Vassar et al 1993) （図１）。

嗅球におけるゾーン構造

　嗅細胞の軸索は一次嗅覚中枢である嗅球へ投射し、糸球と呼ばれる構造内でシナプス結合を形成する。嗅球の出力ニューロンである僧帽細胞、房飾細胞は糸球内で嗅細胞からのシナプス入力を受け、二次嗅覚中枢である嗅皮質へ軸索投射する。糸球は嗅球表面側にシート状に並んでいて、げっ歯類では片嗅球あたり2000個ほど存在する。それぞれの糸球にはおよそ3000個の嗅細胞がシナプス結合を作るが、ひとつの糸球に軸索投射する嗅細胞は同一の匂い分子受容体を発現することが知られている（）。

　各匂い分子受容体を発現する嗅細胞が軸索投射する糸球の位置をマッピングしたところ、同一ゾーン内に配置し異なる匂い分子受容体を発現する嗅細胞の投射先の糸球は嗅球上で前後軸方向に伸びる帯状（ゾーン状）の分布を取ることが明らかになった。また異なる嗅上皮ゾーンに属する嗅細胞は、異なる嗅球ゾーンに配置する糸球に投射し、嗅球にも嗅上皮のゾーン構造に対応した４つのゾーン構造があることが示された（Ressler et al 1994, Vassar et al 1994）（図1）。このように嗅上皮上の特定のゾーンの嗅細胞が、嗅球上の特定のゾーンに軸索投射する様式は「ゾーンからゾーンへの投射 (zone-to-zone projection)」と呼ばれている。

　このzone-to-zone projectionに対応するような分子発現が存在することが知られている。NCAM familyに属する接着分子OCAMは、嗅上皮の腹側の３つのゾーンの嗅細胞に発現するが、最背側ゾーンの嗅細胞には発現しない。このゾーン状の発現パターンは投射先である嗅球糸球層でも保持され、腹側の３つのゾーンでは発現が見られるが最背側ゾーンでは発現が見られない（Yoshihara et al 1997）。このようなゾーンと対応した接着分子の発現の機能的意義はまだ解明されていない。しかし、特定の匂い分子受容体を発現する嗅細胞軸索が収束する糸球の位置は個体間で保存されており、正確な投射先へ軸索をガイダンスする上で重要な役割を果たしているのかもしれない。

主嗅覚系ゾーン構造の再検討

　これまで述べてきたように、1990年代前半より非常にシンプルな４分割されたゾーン構造が嗅上皮と嗅球に存在すると考えられてきた。しかし近年多くの匂い分子受容体の分布が詳細に検討された結果、嗅上皮、嗅球ともに背側ゾーンと腹側ゾーンの２つのゾーンに分割されるという説が有力になってきている。およそ80種類の匂い分子受容体の発現分布をin situ hybridization法で調べたところ、いずれの受容体も前後軸に沿った帯状の発現分布を示した。しかし古典的4ゾーンのうち最背側ゾーンに発現するもの以外の受容体の多くは、古典的4分割ゾーンの何れかに限局することなく固有の帯状の分布を示した。これらの受容体の分布は部分的に重なりあっていることから、腹側ゾーン内部には明確なサブゾーンは存在しないと考えられている。一方、古典的4分割ゾーンの最背側部に位置するゾーン1に発現する受容体は腹側ゾーンに分布することはなく、腹側ゾーンの受容体が背側ゾーンに分布することはないため、嗅上皮と嗅球には背側ゾーンと腹側ゾーンの2つの排他的なゾーンがあると考えられる（Miyamichi et al 2005）。

主嗅覚系ゾーン構造の機能

　主嗅覚系に見られるゾーン構造は生物学的にどのような意味を持つのであろうか？この問いに対する明確な答えはまだ得られていない。しかしながら、同じ匂いに応答する匂い分子受容体であっても、背側ゾーンに位置するものと腹側ゾーンに位置するものでは機能が異なることが明らかになっている。背側ゾーンに配置する嗅細胞を選択的に遺伝子工学的に欠損させたマウスでは、トリメチルチアゾリン（TMT：キツネ糞由来の匂い分子でマウスに先天的な忌避行動を惹起する）に対する先天的な忌避行動が消えてしまうことが明らかになっている。一方TMTを用いた匂い学習は成立することから、TMTに応答する嗅細胞のうち、背側ゾーンにあるものは先天的な匂い忌避反応に、腹側ゾーンにあるものは後天的な匂い学習に寄与することが示された（Kobayakawa et al 2007）。これらの結果から、背側ゾーンの嗅細胞は先天的にコードされた、匂いに惹起される情動行動に、腹側ゾーンは経験・学習依存的にコードされる、匂いに惹起される行動反応に寄与する可能性が示唆されている。

 

 副嗅覚系に見られるゾーン構造  

　

鋤鼻上皮におけるゾーン構造

　哺乳類では、主嗅覚系とは別にフェロモンを受容するための感覚系として副嗅覚系（鋤鼻嗅覚系）が存在する。フェロモン受容体を発現する鋤鼻神経は鋤鼻器の鋤鼻上皮に細胞体を持ち、その軸索を副嗅覚系一次中枢である副嗅球へ投射する。鋤鼻神経に発現するフェロモン受容体はその構造からV1RとV2Rの2群に分類される（Dulac and Axel 1995, Herrada and Dulac 1997,Ryba and Tirindelli 1997, Matsunami and Buck 1997）。げっ歯類ではV1RはGi2αタンパク質と共役して鋤鼻上皮上層部(apical zone)の鋤鼻神経に発現し、V2RはGoαタンパク質と共役して鋤鼻上皮基底部（basal zone）の鋤鼻神経に発現する。つまりV1Rを発現する鋤鼻神経細胞とV2Rを発現する鋤鼻神経細胞は排他的な２つのゾーンを鋤鼻上皮上で形成している（Berghard and Buck 1996, Jia and Halpern 1996）（図２）。

副嗅球におけるゾーン構造

　鋤鼻上皮上で異なるゾーンに位置するV1R鋤鼻神経、V2R鋤鼻神経は、副嗅球の異なるゾーンに投射することが知られている。V1R鋤鼻神経はGi2αを、V2R鋤鼻神経はGoαを共発現するが、鋤鼻神経の投射先である副嗅球でその発現を調べると、副嗅球前方部（rostral zone）はGi2α陽性の鋤鼻神経が、副嗅球後方部（caudal zone）にはGoα陽性鋤鼻神経が軸索投射することが明らかになった。これはV1R鋤鼻神経は、鋤鼻上皮apical zoneから副嗅球rostral zoneへ、V2R鋤鼻神経は鋤鼻上皮basal zoneから副嗅球caudal zoneへ、zone-to-zone projectionすることを表している。実際、個々のV1RやV2Rにレポーター遺伝子を発現させ、それぞれの受容体を発現する鋤鼻神経の投射パターンを調べると、V1R発現細胞は副嗅球rostral zoneのいくつかの糸球に、V2R発現細胞ではcaudal zoneのいくつかの糸球に軸索投射する様子が観察される（Belluscio et al 1999）。このゾーン選択的な軸索投射を反映して、V1Rと共発現するOCAMの発現も鋤鼻上皮apical zoneと副嗅球rostral zoneに限局している（Yoshihara and Mori 1997）（図２）。

副嗅覚系におけるゾーン構造の機能

　副嗅覚系に見られるゾーン構造の機能的意義は未だに研究段階であるが、ゾーン毎に異なる性状を持つフェロモンの検出に寄与することが知られている。尿中に含まれる様々な化学物質に対する鋤鼻神経細胞の応答を調べたところ、V1Rを発現する鋤鼻神経細胞は揮発性の物質に、V2Rを発現する鋤鼻神経細胞は不揮発性のタンパク質様物質に応答することが示された（Krieger et al 1999）。また雄マウスの涙から抽出されたペプチドフェロモンESP1はV2Rの一つであるV2Rp5で受容され、副嗅球caudal zoneで情報処理されることが明らかになっている（Haga et al 2010）。さらに最初期遺伝子発現によるフェロモン受容体のリガンドのスクリーニングにより、V1Rに属する一群の受容体は様々なステロイドによく反応し、個体の生理状態のモニタリングに寄与し、一方V2Rに属する一群の受容体は同種の性フェロモンや捕食者の発するフェロモンなど、行動に直結するフェロモンによく応答することが明らかになった（Isogai et al 2011）。

 

 小脳にみられるゾーン構造 

小脳におけるゾーン構造

　哺乳類の小脳において、小脳皮質プルキンエ細胞はオリーブ核より軸索入力を受け、小脳核へ軸索投射する。小脳皮質は正中線に沿って内側部が虫部、外側部が半球、虫部と半球に挟まれた領域を中間部と前後軸に伸びる帯状の領域に分類される。小脳核は内側より室頂核（内側核）、中位核、歯状核（外側核）と分けられるが、小脳皮質虫部は室頂核へ、中間部は中位核へ、半球部は外側核へ選択的に投射することが明らかになり、小脳は前後軸に広がる３つのゾーンに機能分化することが示唆されていた（）。

　1960年代に入り、小脳皮質へ登上線維を送り出すオリーブ核の亜領域と、出力先である小脳皮質の亜領域の詳細な検討がなされた。小脳皮質の微小電気刺激によるオリーブ核での逆行性応答のマッピング、そして各種トレーサーによる登上線維マッピングにより、左右の小脳皮質はそれぞれ前後軸に沿って伸びる少なくともA,B,C1,C2,C3,D1,D2の７つのゾーン（longitudinal zones）が存在するモデルが提唱された。現在では入力領域のさらなる差別化、そして小脳核への出力パターンを組み合わせることで、A,AX,X, B, A2, C1, CX, C2, C3, D1, D0, D2の12のゾーンが小脳皮質にあると考えられている（Apps and Hawkes 2009）（図３）。これらのゾーン構造のうち、BゾーンやC3ゾーンでは「マイクロゾーン」と呼ばれる100～300μm幅と、通常のゾーン構造の幅（～1mm）より更に細かなゾーン構造が見いだされている（）。しかしながら、マイクロゾーンが全てのlongitudinal zoneに存在するかはまだ不明でありこれからの研究が俟たれる。

小脳におけるゾーン様分子発現

　これら神経連絡や電気生理学的方法により同定されたゾーン構造とは別に、小脳では様々な分子の発現が前後軸に沿った帯状パターンを示すことが知られている。もっともよく研究されているのはzebrin II (Aldolase C)の発現パターンで、前後軸に沿ってzebrin II発現プルキンエ細胞によるゾーンと発現しないプルキンエ細胞によるゾーンが交互に並ぶ（Brochu et al 1990）。Zebrin IIの発現パターンとオリーブ核小脳投射の詳細な比較から、ゾーン状の分子発現と解剖学的・生理学的ゾーン構造との対応が解明されてきている（Sugihara and Shinoda 2004, Apps and Hawkes 2009）。また、小脳の発生段階を観察すると、プルキンエ細胞におけるzebrin IIの発現の有無はその細胞の生まれた日と密接に関連していて、ゾーン特異的な神経連絡の形成と関連することが示唆されている（Namba et al 2011）。

　Zebrin IIの発現で区別される２つのゾーンの機能の違いはまだ明らかになっていない。しかしPLCβ（代謝型グルタミン酸受容体等7回膜貫通型受容体のシグナル伝達に重要）のサブタイプPLCβ3はZebrin II発現プルキンエ細胞に、PLCβ4はzebrin II非発現プルキンエ細胞に特異的に発現することから、zebrin IIで区分される２つのゾーンは異なるシナプス伝達特性を持つ可能性が考えられる（Sarna et al 2006）。
 

図１：  Mori et al 1999 (fig2)より転載

図２： Mori et al 2000 (fig6)より転載

図３：　Apps and Hawkes 2009 (fig 4)より転載

参考文献 

Apps and Hawkes 2009 PMID=19693030

Belluscio et al 1999 PMID=10219242
Berghard and Buck 1996 PMID=8558259
Brochu et al 1990 PMID=2329190

Dulac and Axel 1995 PMID=
Haga et al 2010 PMID=20596023
Herrada and Dulac 1997 PMID=
Isogai et al 2011 PMID=21937988
Jia and Halpern 1996 PMID=8782871
Kobayakawa et al 2007 PMID=17989651
Krieger et al 1999 PMID=9988702

Matsunami and Buck 1997 PMID=
Miyamichi et al 2005 PMID=15814789

Mori et al 1999 PMID=

Mori et al 2000 PMID=
Namba et al 2011 PMID=21456012
Ressler et al 1993 PMID=7683976
Ressler et al 1994 PMID=7528109

Ryba and Tirindelli 1997　PMID=

Sarna et al 2006 PMID=16566000
Sugihara and Shinoda 2004 PMID=15470143
Vasser et al 1993 PMID=8343958
Vasser et al 1994 PMID=8001145
Yoshihara et al 1997 PMID=9221781
Yoshihara and Mori 1997 PMID=9321710

 

（執筆者：柏谷英樹、担当編集委員：藤田一郎）